(57)【要約】【課題】高強度の析出強化型の鋼からなるタービン翼に対して、その強度や品質を劣化させることなく、浸食防止を行う新規な方法を提供する。【解決手段】浸食環境下で使用されるタービン翼の浸食防止方法であって、前記タービン翼は析出強化型の鋼であり、前記タービン翼の侵食を受けやすい部位に、耐浸食性材料を圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめ、前記部位に前記耐浸食性材料からなる肉盛層を形成する。次いで、前記肉盛層を含む前記タービン翼の全体に時効熱処理を施す。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸食環境下で使用されるタービン翼の浸食防止方法であって、
前記タービン翼は析出強化型の鋼であり、
前記タービン翼の侵食を受けやすい部位に、耐浸食性材料を圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめ、前記部位に前記耐浸食性材料からなる肉盛層を形成する工程と、
前記肉盛層を含む前記タービン翼の全体に時効熱処理を施す工程と、
を具えることを特徴とする、タービン翼の侵食防止方法。
【請求項２】
前記肉盛層は、前記部位を削除した後に、前記部位を置換するようにして形成することを特徴とする、請求項１に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項３】
前記肉盛層は、前記部位を被覆するようにして形成することを特徴とする、請求項１に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項４】
前記肉盛層は、多層に形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項５】
前記肉盛層の形成は、前記部位の前記摩擦攪拌による温度上昇によって前記部位を溶解しないようにして行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項６】
前記肉盛層の形成の際における前記部位の温度が７００℃以下であることを特徴とする、請求項５に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項７】
前記耐浸食性材料は、コバルト基合金からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項８】
前記肉盛層を形成する以前に、前記部位に対して固溶強化型のニッケル基合金からなる中間層を形成し、前記部位と前記肉盛層との間に介在させることを特徴とする、請求項1〜８のいずれか一に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項９】
前記中間層は、前記ニッケル基合金からなる部材を前記部位に圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめ、追加の肉盛層として形成することを特徴とする、請求項８に記載のタービン翼の浸食防止方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一に記載の方法で浸食防止が施されたことを特徴とする、タービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン翼の浸食防止方法及びタービン翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン翼は、蒸気中に含まれる水滴や酸化スケールによる浸食を受けるため様々な浸食対策がなされてきた。例えば、浸食の発生が予想される部位に局部的に火炎もしくは高周波を用いた焼入れを施す手法、翼形状に整形したステライトなどの耐浸食性材料をろう付や溶接によって取り付ける手法、プラズマ溶接を用い翼本体に直接肉盛溶接する手法が用いられている。
【０００３】
しかしながら、高強度の析出強化型の鋼から上記タービン翼を構成した場合は、上述のような方法はいずれもタービン翼に大きな入熱を与えるため、その後の時効熱処理を施しても強度の増大を図ることができず、前記タービン翼の強度を劣化させ、品質を劣化させてしまうという問題があった。
【０００４】
かかる問題に鑑みて、特許文献１では、レーザ溶接を用いた肉盛溶接方法が開示されている。この方法によれば、母材上に、ノズルによって耐浸食性金属粉を供給すると共に、レーザ発振器からのレーザ光をその焦点位置をずらして照射し、照射されたレーザ光によって耐浸食性金属粉を溶融、凝固させ、母材に耐浸食性金属の肉盛部を形成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３１４３６４号
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１においても、レーザ光照射による耐磨耗性金属粉の溶融時に母材の溶融現象が生じてしまう。したがって、上述した溶接等の技術に比較した場合に、母材に対する入熱量を減らすことはできても、未だ母材に対する入熱量の低減は十分ではない。この結果、上述したように、高強度の析出強化型の鋼から上記タービン翼を構成した場合には、やはり時効熱処理を施しても強度の増大を図ることができず、前記タービン翼の強度を劣化させ、品質を劣化させてしまうという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高強度の析出強化型の鋼からなるタービン翼に対して、その強度や品質を劣化させることなく、浸食防止を行う新規な方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、浸食環境下で使用されるタービン翼の浸食防止方法であって、前記タービン翼は析出強化型の鋼であり、前記タービン翼の侵食を受けやすい部位に、耐浸食性材料を圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめ、前記部位に前記耐浸食性材料からなる肉盛層を形成する工程と、前記肉盛層を含む前記タービン翼の全体に時効熱処理を施す工程と、を具えることを特徴とする、タービン翼の侵食防止方法に関する。
【０００９】
本発明者らは、高強度の析出効果型の鋼からなるタービン翼に対して、浸食を受けやすい部位に対して溶接等で大きな入熱を与えた際に、前記タービン翼がその後に時効熱処理を実施しても、強度の増大を図ることができず、前記タービン翼の強度を劣化させ、品質を劣化させてしまう原因を突き止めるべく鋭意検討を実施した。
【００１０】
その結果、前記析出効果型鋼に対して大きな入熱が与えられると、後の時効熱処理によって析出し、強度強化に寄与する元素、例えばＣｕ元素等が粗大化してしまい、その後に時効熱処理を実施しても、強度強化に寄与するＣｕ元素等が析出しなくなるためであることを見出した。
【００１１】
かかる観点から、本発明者らは、タービン翼に対する入熱量を低減しながら、浸食を受けやすい部位に対して耐浸食性に優れる材料を形成する新たな手法を見出すべく鋭意検討を実施した。その結果、上記態様に従って、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して、耐浸食性材料を圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめる、いわゆる摩擦攪拌法（処理）を用いて肉盛層を形成すれば、タービン翼に対する入熱量を大幅に低減することができることを見出した。したがって、前記タービン翼を溶解させることなく、その後に時効熱処理を施した場合において、例えばＣｕ等の元素を析出させることができ、目的通り、時効熱処理によって前記タービン翼の強度の増大を図ることができる。
【００１２】
なお、前記肉盛層は、前記部位を削除した後に、前記部位を置換するようにして形成することもできるし、前記部位を被覆するようにして形成することもできる。また、一回の摩擦攪拌処理で十分な厚さの肉盛層が形成できないような場合は、複数回の処理を実施して、多層とすることもできる。
【００１３】
また、上記態様において、上記耐浸食性材料はコバルト基合金から構成することができる。なお、コバルト合金の具体例については以下に例示する。
【００１４】
本発明の一例においては、前記肉盛層を形成する以前に、前記部位に対して固溶強化型のニッケル基合金からなる中間層を形成することができる。
【００１５】
上記耐浸食性材料の肉盛量が大きい場合、肉盛層形成による収縮の残留応力（引張残留応力）に起因する肉盛層の端部が剥れるような割れや肉盛層内での割れが発生することがある。特に、摩擦撹拌を用いた耐浸食性材料の肉盛では、肉盛層の硬さが通常の耐浸食性材料の鍛造品に比べ非常に大きな値となる。またこの硬さの上昇は、強度の上昇、延性、靭性の低下を伴っていると考えられ、肉盛層の端部が剥れるような割れや肉盛層での割れの発生を助長させている。
【００１６】
このような場合、本例に従って、前記タービン翼の浸食を受けやすい部位と前記肉盛層との間に、前記肉盛層の形成に先立って、上述したニッケル基合金からなる前記中間層を形成し、介在させることによって、前記ニッケル基合金の優れた靭性に起因して、上述した肉盛層形成による残留応力を緩和することができるようになる。したがって、前記肉盛層の端部における剥がれや、内部での割れを効果的に抑制することができるようになる。
【００１７】
なお、上記中間層は摩擦攪拌法によって追加の肉盛層として形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、高強度の析出強化型の鋼からなるタービン翼に対して、その強度や品質を劣化させることなく、浸食防止を行う新規な方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態におけるタービン翼の概略構成を示す外観図である。
【図２】第１の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。
【図５】第１の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。
【図６】第２の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。
【図７】第２の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。
【図８】第３の実施形態における、タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のタービン翼の概略構成を示す外観図であり、図２〜図５は、前記タービン翼の浸食を受けやすい部位に対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層を形成する際の工程を説明するための図である。なお、図１に示すように、本実施形態では、タービン翼１０の左方から蒸気が当たるので、前記水蒸気中に含まれる水滴や酸化スケールによる浸食は、タービン翼１０の左方部分１０Ａで顕著になる。したがって、本実施形態では、タービン翼１０の左方部分１０Ａに対して浸食防止を施す場合について説明する。
【００２２】
また、図２〜図５では、本実施形態における浸食防止における肉盛層の形成方法を明確に説明すべく、図１に示すタービン翼のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。
【００２３】
図２に示すように、本実施形態では、タービン翼１０の左方部分１０Ａが浸食を受けやすいので、左方部分１０Ａに対して耐浸食性材料１３を圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめ、図３に示すように、左方部分１０Ａに耐浸食性材料１３からなる肉盛層１５を被覆するようにして形成する。
【００２４】
または、図４に示すように、タービン翼１０の左方部分１０Ａを削除した後、同じく左方部分１０Ａに対して耐浸食性材料１３を圧接させ、回転させると同時に移動させて摩擦攪拌を生ぜしめ、図５に示すように、削除した左方部分１０Ａの箇所に耐浸食性材料１３からなる肉盛層１５を置換するようにして形成する。肉盛層１５の厚さは、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。
【００２５】
なお、タービン翼１０は、高強度の析出強化型の鋼から構成する。このような鋼としては、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１、ＳＵＳ６３１Ｊ１等を例示することができる。
【００２６】
上述したように、本実施形態では、タービン翼１０の浸食を受けやすい左方部分１０Ａに対して、摩擦攪拌法（処理）によって肉盛層１５を形成するようにしている。したがって、タービン翼１０に対する入熱量を大幅に低減することができ、タービン翼１０の、特に左方部分１０Ａを溶解することがない。したがって、タービン翼１０を構成する上記析出強化型鋼の、例えば析出強化に寄与するＣｕ等の元素の前記入熱による粗大化を抑制することができ、後の時効熱処理を通じて前記元素を本来通り析出させることができる。結果として、タービン翼１０の肉盛層１５を形成した後の、強度の増大を図ることができる。
【００２７】
なお、上記摩擦攪拌法は、例えば、押圧力を５０００（Ｎ／ｃｍ２）〜１０００００（Ｎ／ｃｍ２）とし、回転速度は１００（ｒｐｍ）〜１０００（ｒｐｍ）とし、移動速度は０．５（ｍｍ／ｓｅｃ）〜５（ｍｍ／ｓｅｃ）とすることができる。
【００２８】
また、肉盛層１５を構成する耐浸食性材料１３としては、コバルト基合金から構成することが好ましい。前記コバルト基合金は一般に高い耐浸食性を有するので、肉盛層１５の構成材料として用いることにより、タービン翼１０の左方部分１０Ａに対して高い耐浸食性を付与することができる。
【００２９】
前記コバルト基合金としては、ステライトＮｏ．６、ステライトＮｏ．１２、ステライトＮｏ．２１等を例示することができる。
【００３０】
なお、タービン翼１０を構成する上記析出強化型鋼及び耐浸食性材料１３を適宜選択するとともに、上述したような条件で摩擦攪拌を実施することにより、タービン翼１０及び耐浸食性材料間の摩擦を低減することができ、タービン翼１０の、特に左方部分１０Ａに対する入熱を十分に低く抑えることができる。この結果、左方部分１０Ａの温度を７００℃以下とすることができる。
【００３１】
このような低温度で肉盛層１５を形成すれば、上述したように、析出強化に寄与するＣｕ等の元素の入熱による粗大化を十分効果的に抑制することができ、後の時効熱処理を通じて前記元素を本来通り析出させることができる。結果として、タービン翼１０の肉盛層１５を形成した後の、強度の増大を確実に図ることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図６及び図７は、本実施形態におけるタービン翼１０の浸食を受けやすい左方部分１０Ａに対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層１５を形成する際の工程を説明するための図である。図６及び図７は、上記同様に、図１に示すタービン翼１０のＡ−Ａ線に沿った断面を示しており、それぞれ上記第１の実施形態における図２及び図４に相当する。
【００３３】
上記第１の実施形態では、肉盛層１５を１回（１パス）の摩擦攪拌処理によって形成するようにしているが、本実施形態では、肉盛層１５を複数回（複数パス）の摩擦攪拌処理によって形成するようにしている。しかしながら、例えば、タービン翼１０を構成する析出強化型鋼及び耐浸食性材料１３との組み合わせ、並びに摩擦攪拌処理の条件等によっては、１回（１パス）の摩擦攪拌処理によって、上述のような５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さの肉盛層１５の形成が困難な場合がある。
【００３４】
したがって、本実施形態によれば、摩擦攪拌処理を複数回（複数パス）で行うようにしているので、１回（１パス）の摩擦攪拌処理によって十分な厚さの肉盛層１５が形成されない場合でも、複数回（複数パス）の摩擦攪拌処理を行うことによって、最終的に十分な厚さ、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さの肉盛層１５を簡易に形成することができる。
【００３５】
図６に示すように、タービン翼１０の左方部分１０Ａを被覆するようにして肉盛層１５を形成する場合は、例えば２回（２パス）の摩擦攪拌処理を行い、１回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−１を形成し、２回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−２を形成して目的とする肉盛層１５とすることができる。
【００３６】
また、図７に示すように、タービン翼１０の左方部分１０Ａを削除し、かかる部分を置換するようにして肉盛層１５を形成する場合は、例えば６回（６パス）の摩擦攪拌処理を行い、１回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−１を形成し、２回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−２を形成し、３回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−３を形成し、４回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−４を形成し、５回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−５を形成し、６回目の摩擦攪拌処理で肉盛層１５−６を形成して目的とする肉盛層１５とすることができる。
【００３７】
なお、図６及び図７から明らかなように、図７に示すように、左方部分１０Ａを削除し、かかる部分を置換するようにして肉盛層１５を形成する場合は、図６に示すように、左方部分１０Ａを被覆するようにして肉盛層１５を形成する場合に比較して、肉盛層１５を厚く形成する必要がある。したがって、このような場合には、上述した第１の実施形態で示すように１回（１パス）の摩擦攪拌処理で肉盛層１５を形成する場合に比較して、本実施形態で示したように、複数回（複数パス）の摩擦攪拌処理で肉盛層１５を形成するのが確実である。
【００３８】
（第３の実施形態）
図８は、本実施形態におけるタービン翼１０の浸食を受けやすい左方部分１０Ａに対して摩擦攪拌法（処理）によって、肉盛層１５を形成した状態を示す図である。図８は、上記同様に、図１に示すタービン翼１０のＡ−Ａ線に沿った断面を示しており、上記第１の実施形態における図３に相当する。
【００３９】
本実施形態では、タービン翼１０の左方部分１０Ａにおいて、肉盛層１５の形成に先立って、ニッケル基合金からなる中間層１７を形成し、左方部分１０Ａと肉盛層１５との間に介在させるようにしている。
【００４０】
耐浸食性材料１３からなる肉盛層１５の厚さが大きくなると、肉盛層１５の形成による収縮の残留応力（引張残留応力）に起因して、肉盛層１５の端部が剥れるような割れや肉盛層１５内での割れが発生することがある。特に、摩擦撹拌を用いた耐浸食性材料１３の肉盛では、肉盛層１５の硬さが通常の耐浸食性材料の鍛造品に比べ非常に大きな値となる。またこの硬さの上昇は、強度の上昇、延性、靭性の低下を伴っていると考えられ、肉盛層１５の端部が剥れるような割れや肉盛層１５での割れの発生を助長させている。
【００４１】
しかしながら、本実施形態では、タービン翼１０の左方部分１０Ａと肉盛層１５との間にニッケル基合金からなる中間層１７を介材させるようにしているので、前記ニッケル基合金の優れた靭性に起因して、肉盛層１５の形成による残留応力を緩和することができるようになる。したがって、肉盛層１５の端部における剥がれや、内部での割れを効果的に抑制することができるようになる。
【００４２】
なお、特に図示しないが、中間層１７は肉盛層１５と同様に摩擦攪拌法によって形成することができる。この場合、肉盛層１５の形成と同様の工程及び装置を用いて中間層１７を形成することができるので、中間層１７を形成する場合においても、タービン翼１０の浸食防止の工程及び装置を簡易化した状態で行うことができる。上記ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル６２５等を例示することができる。
【００４３】
また、中間層１７の厚さは、例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。この場合、上述した中間層１７の、肉盛層１５の端部における剥がれ等を防止できるような靭性等の物理特性を効果的に発揮することができるようになる。０．５ｍｍよりも小さくなると、上述した中間層１７の効果を十分に発揮できない場合がある。また、３ｍｍを超えて大きくなっても、最早中間層１７の効果の向上には寄与せず、材料を無駄に消費してしまうことになる場合がある。
【００４４】
なお、上記中間層１７を介材させることにより、肉盛層１５内の残留応力は２〜４割程度低減することができる。
【００４５】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  タービン翼
１０Ａ  タービン翼の左方部分（浸食を受けやすい部分）
１３  耐浸食性材料
１５  肉盛層
１７  中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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